A réz és a cink orvosi geokémiai vonatkozásai és izotópjaik használata a gyógyászatban HALADÓ GEOKÉMIA SZABÓ PÉTER

Átírás

1 A réz és a cink orvosi geokémiai vonatkozásai és izotópjaik használata a gyógyászatban HALADÓ GEOKÉMIA SZABÓ PÉTER

2 Mivel foglalkozik az orvosi geokémia? Geokémia célja: Az elemek relatív és abszolút mennyiségének meghatározása a Földben és alkotórészeiben. Elemek és izotópjaik aránya, mozgása a Föld szféráiban és ezek törvényszerűségének feltárása. Lépték változik. Központba az ember és az élő környezet kerül! Elemek és izotópjaik vándorlása az emberi testben.

3 Mivel foglalkozik az orvosi geokémia? Szükség volt hozzá az analitika és a technológia fejlődésére Szükség van geológiai, ásványtani, kőzettani, kémiai és nem utolsó sorban biológiai ismeretekre Segítséget nyújt a gyógyászatban dolgozók számára Látható, hogy erősen interdiszciplináris tudományág tág tudásanyagot ötvöző szakembereket igényel

4 Tulajdonság Cu Rendszám 29 Relatív atomtömeg (g/mol) Elektronegativitás 1,9 63,546(3) Elektronkonfiguráció [Ar] 3d 10 4s 1 Fématom sugár (N=12, pm) Ionizációs energia (első) (kj*mol -1 ) ,3 Olvadáspont ( C) 1083 Forráspont ( C) 2570 Olvadáshő (kj*mol -1 ) 13,0 Párolgáshő (kj*mol -1 ) 307(±6) Atomizációs hő (kj*mol -1 ) 337(±6) Sűrűség (g*cm -3 ) 8,95 Fajlagos ellenállás (20 C, μohm*cm) 1,673 Réz (Cu)

5 Réz ásványai, felhasználása Fontosabb ásványai: o kalkopirit, CuFeS 2 o kalkozin, Cu 2 S o kuprit, Cu 2 O o kovellin, CuS o malachit, Cu 2 CO 3 (OH) 2 o azurit, Cu 3 (CO 3 ) 2 (OH) 2 Felhasználása: elektromos kábelek, elektromos felszerelés, építkezés, Előállítása: kalkopirit pörkölése, képződő CuO redukciója

6 Réz főbb vegyületei, ötvözetei Cu 2 (OH) 2 CO 3 : patina: réz és bronztárgyak felületén képződik nedves levegőn CuSO 4 : réz(ii)-szulfát, rézgálic: kék, oltott mésszel keverve bordói lé: permetezőszer CuO és Cu 2 O: réz(ii)-oxid és réz(i)-oxid Sárgaréz: 80% Cu + 20% Zn Bronz: Cu + Sn Alpakka: Cu + Ni

7 Réz egyéb geokémiai tulajdonságai Fő oxidációs állapotai: +1, +2 Kalkofil elem (kénkedvelő kéregben, köpenyben) Réz- és aranyércesedés indikátora + mafikus kőzeteké Oxidatív, savas környezetben, ph közt a legmobilisabb Affinitás a szerves anyaghoz Talajban átlagosan 13-tól 24 mg/kg felszíni horizontban: bioakkumuláció + antropogén forrás Felszíni vizekben hozzávetőlegesen: 10 μg/l (kivétel AMD) Antropogén források: bányászat, kohosítás, elektromos ipar, mezőgazdaság, szennyvíz, acélipar

8 Réz gyakorisága folyóvizekben, talajokban

9 Réz határértéke, betegségek 6/2009. (IV. 14.) KvVM-EüM-FVM alapján, B szennyezettségi határérték 75 mg/kg szárazanyag, földtani közegre 200 mg/l, felszín alatti vizekre Esszenciális nyomelem, emberekre nézve: 12 mg/nap a tolerálható mennyiség Szervezetben 50 mg-tól 150 mg-ig, szövetekben és vérben 35%-a vörösvérsejtekben Mikronutriens, katalitikus és szerkezeti szerep enzimeknél Nagy koncentrációban toxikus (pl.: gyerekeknél veseelégtelenség)

10 Tulajdonság Zn Rendszám 30 Relatív atomtömeg (g/mol) Elektronegativitás 1,6 65,39(2) Elektronkonfiguráció [Ar] 3d 10 4s 2 Fématom sugár (N=12, pm) Ionizációs energia (első) (kj*mol -1 ) ,1 Olvadáspont ( C) 419,5 Forráspont ( C) 907 Olvadáshő (kj*mol -1 ) 7,28(±0,01) Párolgáshő (kj*mol -1 ) 114,2(±1,7) Atomizációs hő (kj*mol -1 ) Sűrűség (g*cm-3) 7,14 Elektromos ellenállás (20 C, μohm*cm) 129,3(±2,9) 5,8 Cink (Zn)

11 Cink ásványai, felhasználása Fontosabb ásványai: o szfalerit, ZnS o wurtzit, ZnS o hemimorfit, Zn 4 Si 2 O 7 (OH) 2 H 2 O o cinkpát, smithsonit, ZnCO 3 Felhasználása: horganyzott bádog, sárgaréz, festék, vegyszerek, galvánelem Előállítása: ZnS pörkölése, képződő ZnO redukciója Sárgaréz (80% Cu + 20% Zn), fehér festék (ZnO)

12 Cink egyéb geokémiai tulajdonságai Fő oxidációs állapota: +2 Cd-hoz hasonló viselkedés Kalkofil elem (kénkedvelő kéregben, köpenyben) Cinkércesedés indikátora, Cd-mal társul + mafikus kőzet, Fe/Mn-nal együttes kiválás Oxidatív, savas környezetben a legmobilisabb; magas ph-n komplexeket képez Talajban átlagosan 10-től 300 mg/kg felszíni horizontban: bioakkumuláció + antropogén forrás Folyóvízben átlagosan: μg/l Antropogén források: bányászat, széntüzelés, acélipar, fehér festék (ZnO), galvánelem

13 Cink gyakorisága vizekben, talajokban

14 Cink határértéke, betegségek 6/2009. (IV. 14.) KvVM-EüM-FVM alapján, B szennyezettségi határérték 200 mg/kg szárazanyag, földtani közegre 200 mg/l, felszín alatti vizekre Esszenciális nyomelem, emberekre nézve: 11,4 mg/nap a tolerálható mennyiség Szervezetben 1,5 3 g 90%-a a vörösvérsejtekben Nagy koncentrációban toxikus: növekedési rendellenesség, sérülések lassú gyógyulása, immunrendszer-zavarok, születési rendellenesség kisebb koncentrációban: gyomorgörcs, bőrirritáció, émelygés, hasnyálmirigy-károsodás Bioakkumuláció halakban és növényekben

15 Izotópok

16 Mit nevezünk izotópnak? Adott kémiai elem azonos protonszámú (rendszám Z), de eltérő neutronszámú formái Tömegszámban (A) megjelenő különbség Az izotópok magja lehet stabil vagy radioaktív Egy elem több izotópból épül fel, melyek különböző arányban lehetnek stabilak vagy radioaktívak Azonos kémiai tulajdonságok

17

18

19

20

21 Geológiai és geokémiai felhasználásuk Geológiai folyamatok megértése Geológiai képződmény genetikája (akár extraterresztrikus is) Képződmény kora Geokronológia Izotóparányok és ezek változása

22 Radioaktív izotópok Radioaktív magok bomlása Nagy energiájú ionizáló sugárzás α-bomlás: atommagból He atommag válik ki β-bomlás: magban n 0 p +, e - kiválás γ-bomlás: energia távozik foton formájában Természetben előforduló radioaktív elemek rendszáma általában 80-nál nagyobb o Kivéve: 40 K, 87 Rb, 138 La, 147 Sm, 176 Lu, 187 Re, 190 Pt + kozmogén izotópok ( 3 H, 10 Be, 14 C, 26 Al, 32 Si, 36 Cl), mesterséges (antropogén) izotópok: 90 Sr, 137 Cs Jelenleg három földi eredetű bomlási sor o 232 Th 208 Pb o 235 U 207 Pb o 238 U 206 Pb

23 Stabilizotóp geokémia Radioaktív bomlás nem figyelhető meg, vagy 15 mrd évnél nagyobb bomlási idő Izotópok elterjedése, mennyisége és aránya a geofázisokban Nagyobb rendszám ~ kisebb tömegkülönbség nehezebben mérhető tömegkülönbségek Hagyományosan: H (D/H [ 2 H/ 1 H], C ( 13 C/ 12 C), N ( 15 N/ 14 N), O ( 18 O/ 16 O), S ( 34 S/ 32 S) o Mára kibővült

24 Izotóp frakcionáció Izotópok arányának változása fizikai, kémiai és biológiai folyamatok során Alapja az atomok és molekulák mozgásának módja, mely tömegfüggő Könnyebb és nehezebb izotópok elkülönülése Egyensúlyi (rotáció és vibráció, nehezebb izotópok stabilabb kötésben energiaminimum) Kinetikus (reakciósebesség izotóparány, egyirányú) Nem tömegfüggő (meteoritok, atmoszféra molekuláris szimmetria szerepe Standardokhoz viszonyítanak

25 Gyógyászat Radioaktív izotópok Metabolikus folyamatok rövidtávú követése Radioterápia (Tc-99m, Co-60) Vizsgálatukat limitálja a felezési idő és az sugárzás káros hatásai Stabil izotópok Metabolikus folyamatok hosszútávú követése, egy elem dúsított izotópjaival Táplálkozási vizsgálatok

26 Réz- és cinkizotópok Réz 65 Cu/ 63 Cu Cink 66 Zn/ 64 Zn 63 Cu 69,17%-os gyakorisággal atomtömeg: 62, g/mol 65 Cu 30,83%-os gyakorisággal atomtömeg: 64, g/mol 64 Zn 48,63% atomtömeg: 63, g/mol 66 Zn 27,90% atomtömeg: 65, g/mol 67 Zn 4,10% atomtömeg: 66, g/mol 68 Zn 18,75% atomtömeg: 67, g/mol 70 Zn 0,62% atomtömeg: 69, g/mol

27 Izotóparányok alkalmazása Az átmeneti fémek, így a Cu is biológiai folyamatokra jellemzők, tartózkodási idejük a szervezetben csekély Betegségek nagy része bizonyos biokémiai folyamatokat akadályoz, melyekben metalloproteinek is részt vesznek Azt várjuk, hogy valamely kór hatására az izotópösszetételben változás lép fel, melyet könnyen elérhető biológiai mintán lehet észlelni/mérni (pl.: vér) biomarkerként alkalmazható? Izotópok arányában változás, ha az input és az output mennyisége eltérő. Minden szerv izotópösszetétele szűk határok közt mozog

28 Megfigyelések Kutatások szerint a Cu, a nők vérében magas koncentrációban, mely erősen változó, még a férfiaknál a Cu egy szűk tartományra esik Prosztatarákosok vérsavójában megemelkedett Cu-tartalom, de a Zn-tartalmat nem befolyásolja Mellrákos nők vérsavójában emelkedett Zn-koncentráció, vastagbélrákosoknál nem (Albaréde, 2017)

29 Vér izotópösszetétele Vörösvérsejtben: δ 66 Zn ~ +0.44±0.26 és δ 65 Cu ~ értékek Vérsavóban: δ 66 Zn ~ és δ 65 Cu ~ -0.26± év közti Jakut önkéntesek vérén végrehajtott vizsgálat szerint: o 66 Zn/ 64 Zn növekszik, a 65 Cu/ 63 Cu csökken a korral Egy másik vizsgálat szerint: o 65 Cu/ 63 Cu nőtt a menopauza után, de a Zn változatlan maradt, a kor sem befolyásolta Bizonytalan eredmények, az ok lehet: izotópok minél tovább a szervezetben vannak, annál jobban tudnak frakcionálni Etnikai faktor: δ 66 Zn a teljes vérben 0,15 -kel magasabb a vegetáriánusoknál, mint a mindenevőknél

30 Zn és Cu izotópok eloszlása szervenként (Albaréde, 2017)

31 Rákos megbetegedések Több krónikus és rákos megbetegedés esetében emelkedett Cu szintet vettek észre A legtöbb vizsgálatot a vér különböző részein végezték, és csak nagyon ritkán a szervek szövetén vagy a tumoron A tumor Cu és Zn izotópösszetétele eltér az egészséges szövettől (nehéz Cu a májban, könnyű Zn a mell szövetében) Eddigi vizsgálatok alapján: Cu izotóposan könnyebb a rákos emberek vérsavójában, de a Zn nem mutat hasonló tulajdonságokat. δ 65 Cu használható előrejelzésre a végstádiumban levő máj-, nyakcsigolya-, és mellrákos betegeknél, de nem önmagában, hanem az eddigi módszerek kiegészítéseként

32 Rákos megbetegedések (Albaréde, 2015)

33 Kilátások Jelenlegi állás szerint ezen izotópok nem tudnak versenybe szállni, a már használt molekuláris biomarkerekkel viszont ígéretesnek tűnnek a betegségek biokémiai mechanizmusának kutatásában Cu izotópjai mutatják a legjobb eredményeket a betegségek (rák) véren végzett vizsgálatában, de a módszerek még erősen kiforratlanok További vizsgálatok szükségesek mind szerveken, mind sejteken Azonosítani kell, hogy a δ 65 Cu jel mely részéért felelős a rákos megbetegedés, és melyért egyéb faktorok (pl.:kor)

34 Források Albarède, F., 2015, Metal stable isotopes in the human body: a tribute of geochemistry to medicine: Elements, v. 11, no. 4, p Albarède, F., Télouk, P., and Balter, V., 2017, Medical Applications of Isotope Metallomics: Reviews in Mineralogy and Geochemistry, v. 82, no. 1, p Albarède, F., Telouk, P., Lamboux, A., Jaouen, K., and Balter, V., 2011, Isotopic evidence of unaccounted for Fe and Cu erythropoietic pathways: Metallomics, v. 3, no. 9, p Bullen, T. D., and Walczyk, T., 2009, Environmental and biomedical applications of natural metal stable isotope variations: Elements, v. 5, no. 6, p Jaouen, K., Gibert, M., Lamboux, A., Telouk, P., Fourel, F., Albarède, F., Alekseev, A. N., Crubézy, E., and Balter, V., 2013, Is aging recorded in blood Cu and Zn isotope compositions?: Metallomics, v. 5, no. 8, p Larner, F., Shousha, S., and Coombes, R. C., 2015, Zinc isotopes: a novel approach to biomarkers of breast cancer?: Biomarkers, v. 9, no. 4, p Lauwens, S., Costas-Rodríguez, M., Van Vlierberghe, H., and Vanhaecke, F., 2016, Cu isotopic signature in blood serum of liver transplant patients: a follow-up study: Scientific Reports, v. 6, p Moynier, F., Foriel, J., Shaw, A., and Le Borgne, M., 2017, Distribution of Zn isotopes during Alzheimer s disease: Geochemical Perspectives Letters, v. 3, p

35 Egyéb források f%20isotopes.pdf Dr. Szabó Csaba Geokémiai ciklusok kurzus segédanyaga Dr. Szabó Csaba Környezeti izotópgeokémia kurzus segédanyaga Dr. Tarczay György Szervetlen kémia kurzus segédanyaga

36 Internetről származó képek forrásai /egyeb_penzermek/termek/2_filler BERNDORF-alpakka-villa-keszlet-6-db/

37 Köszönöm a figyelmet!